在物联网应用中，如何确保BLE连接的安全？

为保障物联网设备的安全性，需要进行以下三项部署：

对未经授权的设备隐藏设备身份的机制 - 身份保护对于保护用户免受破坏者跟踪其物理位置至关重要。如果没有足够的保护，物联网设备会使用户面临隐私泄露以及潜在的生命或财产威胁。这一情况类似于有人根据您的汽车注册编号对你进行跟踪。

防止被动窃听- 被动窃听是指收听两台设备之间私人通信的过程。被动窃听者静静地听取通信，但不会更改数据。

防范中间人攻击 - 中间人（MITM）攻击是所有安全威胁中最为严重的一种情况。在这种情况下，称为MITM攻击者的第三台设备不仅可以监听两台设备之间的私密通信，还可以模仿其中任意一台设备并更改数据。

对未经授权的设备隐藏设备身份

BLE设备使用48位地址，如果该地址可被另一台设备解码，则后者可对前者实时跟踪。BLE使不可信设备难以通过频繁更改地址来实施跟踪。以上是通过使用仅可信设备可用的身份解析密钥（IRK）实现的。对链路进行加密后，可信设备之间可在配对过程中共享IRK。然后将其作为绑定过程的一部分存储在内部。这一类型的地址称为可解析私有地址（RPA）。

可解析私有地址包含两个组件 - 24位hash和24位prand。hash是IRK函数，prand则由22位随机数和两个固定的MSB（最高有效位）组成。

随机产生的22位prand不能所有位都为'1'或'0'。之后，使用IRK和prand作为加密函数'e'的输入变量计算hash。

Hash = e(IRK，prand)，截断为24位

设备IRK是一组128位数字。通过104位填充连接，其中填充位设置为‘0’，使得prand的大小与IRK一致。原始prand的LSB（最低有效位）在填充后依然是prand的LSB。生成后的hash将与prand连接从而生成RPA。

为解析RPA，需要使用在广告包中接收的prand和在配对过程中接收的IRK生成本地hash。然后将这一本地hash与地址中的hash进行比较。如果匹配，则可解析地址。由于一台设备可存储来自多台设备的IRK，因此可使用存储的每一个IRK逐个计算本地hash值，直至匹配为止。

BLE 4.2及更高版本允许该地址最快可每秒更改一次，最长更改间隔为11.5小时，这称为RPA超时。RPA更改的频次越高，对设备实施跟踪就越困难。

防止被动窃听

假设在一次会议中，交谈中有两个人突然切换到与会的其他人难以听懂的他们的母语，那么，将会发生什么情况？事实上通过这一方式，他们让这一部分对话免受被动窃听。类似地，BLE设备使用共享密钥对链路进行加密。因此，没有秘钥的设备将无法理解链路加密之后设备之间的对话。保护强度取决于钥匙强度–即获取或猜测钥匙的难易程度。

BLE（4.2或更高版本）使用符合美国联邦信息处理标准（FIPS）的Elliptic Curve Diffie-Hellman（ECDH）算法来生成和交换密钥。之后，这些密钥用于生成其他密钥，也称为DHKey共享密钥。再之后，可通过DHKey共享密钥对链路进行加密或生成另一组密钥对链路进行加密。

在BLE设备中，这一安全通信的基础是在配对过程中建立的。配对过程分为三个阶段：

在第1阶段，配对过程中涉及的两台设备发送配对请求和响应以及配对参数，其中包括设备的性能和安全要求。在此之后，两台设备将根据交换参数的值选择配对方式。

第2阶段涉及设备身份验证和链路加密。该阶段建立的安全性环境可确保设备不受被动窃听和MITM攻击。

如前所述，为防止被动窃听，BLE使用符合FIPS标准的ECDH算法，使设备能够在不安全的信道上建立共享密钥，然后使用该秘钥或其衍生秘钥对链路进行加密。

为便于理解ECDH算法的工作原理，我们给出了非常经典的Alice和Bob示例（参见图5）。Alice和Bob希望建立一个安全的通信链路，然而他们正在通信的信道正在被第三方Eve窃听。

1. Alice和Bob生成了他们自己的私钥和公钥，其中私钥d是从[1到n-1]的随机数，并通过将d乘以G, dG获得公钥Q。

假设Alice的私钥和公钥是dA和QA = dAG，Bob的私钥和公钥分别是dB和QB = dBG。

2. Alice和Bob在不安全的频道上互相分享他们的公钥QA和QB，而该信道正在被Eva窃听。Eve可以拦截QA和QB，但她无法确定私钥。

3. Alice使用自己的私钥QBdA计算共享密钥，Bob则使用QAdB计算共享密钥。请注意，共享密钥是相同的。

S = QBdA = (dBG)dA = (dAQ)dB = QAdB

4. 现在，Alice和Bob可使用该共享密钥保护其通信，或使用该共享密钥生成另一个密钥。而Eve则无法计算该密钥，因为她仅仅知道QA和QB。

以上示例假设Alice和Bob都使用相同的域参数。在LE Secure（低功耗安全）连接的情况下，两台设备默认遵循FIPS标准的P-256 ECDH机制。

一旦两台BLE设备成功生成共享密钥，它们就会生成长期密钥（LTK）和MAC（介质访问控制）密钥。MAC密钥用于确认生成的密钥是否正确。成功确认后，两台设备都将使用LTK对链路进行加密。请注意，该LTK永远不会通过无线共享，因此被动窃听者将无法计算LTK，窃听者也将无法拦截两台设备之间交换的信息。

虽然ECDH提供的安全性保护可防止被动窃听，但却并不能阻止设备免受MITM攻击。为防止MITM攻击，基于设备的I / O功能，BLE使用身份验证作为配对过程第2阶段的一部分。

关于作者：

Pushek Madaan现任职于赛普拉斯半导体印度公司，担任高级应用工程师。他主要使用C语言和汇编语言设计用于模拟和数字电路的嵌入式系统应用，同时使用C＃开发GUI（图形用户界面）。

Sachin Gupta现任职于赛普拉斯半导体公司物联网业务部，担任资深产品营销工程师。他拥有德里洲际大学（Guru Gobind Singh Indraprastha University）电子与通信学士学位。Sachin在SoC应用开发和产品营销方面拥有9年的经验。

全球物联网观察出品

转载请注明出处

大家都在看：

揭秘！华为手机核心供应商名录

缺货涨价，CMOS图像传感器的“江湖之争”！

Facebook入局，AI芯片大混战！

广告投放 | 政府招商 | 产业报告

投融资 | 专家咨询 | 人才服务 | 论坛策划

↓合作需求，请点击“阅读原文”联系我们